Il rendering di un artista del dimostratore integrato Powerhead. Credito d'immagine: NASA. Clicca per ingrandire.
Quando pensi alla futura tecnologia missilistica, probabilmente pensi alla propulsione ionica, ai motori antimateria e ad altri concetti esotici.
Non così in fretta! Il capitolo finale dei razzi tradizionali alimentati a liquido non è ancora stato scritto. Sono in corso ricerche su una nuova generazione di progetti di razzi alimentati a liquido che potrebbero raddoppiare le prestazioni rispetto ai progetti di oggi migliorando al contempo l'affidabilità.
I razzi a propellente liquido sono in circolazione da molto tempo: il primo lancio a propulsione liquida fu eseguito nel 1926 da Robert H. Goddard. Quel semplice razzo produsse circa 20 kg di spinta, abbastanza da portarlo in aria per circa 40 piedi. Da allora, i design sono diventati sofisticati e potenti. I tre motori di bordo alimentati a liquido dello space shuttle, ad esempio, possono esercitare oltre 1,5 milioni di libbre di spinta combinata in rotta verso l'orbita terrestre.
Si potrebbe presumere che, ormai, ogni immaginabile raffinamento nei progetti di missili alimentati a liquido debba essere stato fatto. Ti sbaglieresti. Si scopre che c'è spazio per miglioramenti.
Guidati dalla US Air Force, un gruppo composto dalla NASA, dal Dipartimento della Difesa e da numerosi partner del settore stanno lavorando a progetti di motori migliori. Il loro programma si chiama Integrated High Payoff Rocket Propulsion Technologies e stanno esaminando molti possibili miglioramenti. Uno dei più promettenti finora è un nuovo schema per il flusso di carburante:
L'idea alla base di un razzo a propellente liquido è piuttosto semplice. Un combustibile e un ossidante, entrambi in forma liquida, vengono immessi in una camera di combustione e accesi. Ad esempio, la navetta utilizza idrogeno liquido come combustibile e ossigeno liquido come ossidante. I gas caldi prodotti dalla combustione fuoriescono rapidamente attraverso l'ugello a forma di cono, producendo così una spinta.
I dettagli, ovviamente, sono molto più complicati. Per uno, sia il combustibile liquido che l'ossidante devono essere immessi nella camera molto rapidamente e sotto grande pressione. I principali motori dello shuttle drenerebbero una piscina piena di carburante in soli 25 secondi!
Questo torrente zampillante di carburante è guidato da una turbopompa. Per alimentare la turbopompa, una piccola quantità di combustibile viene "pre-bruciata", generando così gas caldi che guidano la turbopompa, che a sua volta pompa il resto del combustibile nella camera di combustione principale. Un processo simile viene utilizzato per pompare l'ossidante.
I missili alimentati a liquido di oggi inviano solo una piccola quantità di carburante e ossidante attraverso i pre-bruciatori. La maggior parte scorre direttamente nella camera di combustione principale, saltando completamente i pre-bruciatori.
Una delle tante innovazioni in fase di sperimentazione da parte dell'Air Force e della NASA è quella di inviare tutto il combustibile e l'ossidante attraverso i rispettivi pre-bruciatori. Solo una piccola quantità viene consumata lì, quanto basta per far funzionare i turbo; il resto scorre attraverso la camera di combustione.
Questo design a "ciclo graduale a flusso pieno" presenta un vantaggio importante: con più massa che passa attraverso la turbina che guida la turbopompa, la turbopompa viene spinta più forte, raggiungendo così pressioni più elevate. Pressioni più elevate equivalgono a maggiori prestazioni dal razzo.
Un simile progetto non è mai stato usato in un razzo a propellente liquido negli Stati Uniti prima, secondo Gary Genge al Marshall Space Flight Center della NASA. Genge è vicedirettore di progetto per Integrated Powerhead Demonstrator (IPD), un motore di test per questi concetti.
"Questi progetti che stiamo esplorando potrebbero migliorare le prestazioni in molti modi", afferma Genge. "Speriamo in una migliore efficienza del carburante, in un rapporto spinta / peso più elevato, in una maggiore affidabilità, il tutto a un costo inferiore".
"In questa fase del progetto, tuttavia, stiamo solo cercando di far funzionare correttamente questo schema di flusso alternativo", osserva.
Hanno già raggiunto un obiettivo chiave: un motore più freddo. "Le turbopompe che utilizzano schemi di flusso tradizionali possono riscaldare fino a 1800 C", afferma Genge. Questo è un sacco di stress termico sul motore. La turbopompa a "pieno flusso" è più fredda, perché con una maggiore massa che la attraversa, è possibile utilizzare temperature più basse e ottenere comunque buone prestazioni. "Abbiamo abbassato la temperatura di diverse centinaia di gradi", afferma.
IPD è inteso solo come banco di prova per nuove idee, osserva Genge. Il dimostratore stesso non volerà mai nello spazio. Ma se il progetto avrà successo, alcuni dei miglioramenti di IPD potrebbero trovare la strada nei veicoli di lancio del futuro.
Quasi cento anni e migliaia di lanci dopo Goddard, i migliori missili alimentati a liquido potrebbero ancora arrivare.
Fonte originale: Articolo scientifico della NASA
